实现碳中和炼钢：创新技术与战略路径

钢铁生产行业是全球化石和工业排放最大单一行业，占温室气体(GHG)排放7%-9%。同时钢铁是现代工业社会主要材料组成。为扩展改善基础设施、提高全球生活水平，钢铁消费将增加。挑战在于寻找路径，既允许社会使用钢铁材料，又避免生产负面环境影响。

现状与挑战

传统炼铁炼钢工艺伴随极高环境温室气体排放。目前钢铁厂排放约1.8吨二氧化碳/吨粗钢(tCO₂/tCS)。虽过去数十年持续努力减少排放，但若钢铁业要跟上《巴黎协定》要求的全方位减排(将本世纪全球温升限制在工业化前水平以上2°C以内，努力限制在1.5°C)，仍需重大技术突破。

钢铁业二氧化碳排放最难减少，因碳在大多数钢厂作为炼铁炼钢化学计量还原剂，最终在钢厂煤气中形成CO/CO₂混合物，燃烧产生热能、电力和更多二氧化碳。碳捕集封存(CCS)、碳捕集利用(CCU)或避免二氧化碳排放策略虽存在，但高度依赖可再生电力生产氢气(H₂)。

未来钢铁需求预估差异大，年增长率预测1.4%-3.3%波动。按此增长率，2025年钢铁需求预计高达24亿吨。增长中的钢铁业部分脱碳只能通过效率提升和可再生电力融入常规炼钢路线，完全脱碳需新零碳和/或负排放技术。尽管大量研发进行中，但钢铁生产脱碳尝试未达大规模工业应用水平。CCS在炼钢背景下的可行性和适用性当前仍高度存疑。

常规高炉/转炉(BF/BOF)路线用碳(焦炭和煤)驱动吸热还原反应并提供高温。典型BF-BOF排放1.6-2.2 tCO₂/tCS。钢铁相关排放存在显著地区差异，部分产钢国碳足迹远高于经合组织(OECD)国家。不同炼钢路线(BF-BOF、DRI-EAF、废钢-EAF)间也有显著差异。技术改进使钢厂过去五十年稳步降低燃料消耗率，BF-BOF路线可视为在很大程度上已优化。世界最高效高炉二氧化碳排放理论最小值上方仅约5%。

重工业特别是钢铁业向脱碳转型，直到最近才受到能源和气候研究关注。但工业排放接近发电排放，钢铁业深度脱碳缓解措施须大力推进。钢铁业深度脱碳战略主要遵循两条截然不同路线：

• 改变现有工艺以消除对化石燃料固有依赖，高度依赖电力直接使用或通过电解产氢。
• 保持现有工艺，通过CCS和CCU应用结合工艺能源可再生化应对排放。

图1显示各替代方案预期二氧化碳减排量。

路线一：改变现有工艺

随低成本可再生电力日益可得，各种电气化形式越来越被视为钢铁业脱碳吸引人选项。提出多种技术方案，其中较有前景的是铁矿石电解或"电析出"。这利用电力作还原剂，类似从氧化铝(Al₂O₃)生产铝(Al)。该工艺仍处早期开发阶段，仅在实验室规模尝试，但代表高效炼钢选项，长期有望大幅减排。

铁矿石电析出技术

电析出是利用电力从矿石提取金属的最古老电解技术之一。常用于铜、铅、稀土元素电析出。有商业化特定矿石电析出铁技术：(i)Boucher法，FeSO₄-FeCl₂溶液电解精炼，(ii)Eustis法，用硫化铁矿在FeCl₂溶液电析出，(iii)Pyror法，用硫化铁矿在FeSO₄溶液电析出。但通用铁矿石电析出铁仅在实验室规模建立。取决于电解用电力组合碳足迹，此路线潜在可无碳。在全球一次能源供应以可再生能源为主导的未来场景，此技术提供显著减碳潜力。欧洲SIDERWIN倡议(地平线2020框架项目)，目标二氧化碳排放和能耗较BF-BOF路线分别降低87%和31%，旨在中试规模验证此技术，2022年展示技术成熟度等级(TRL)。

熔融氧化物电解

最近受关注的另一电解路线是铁矿石熔融氧化物电解(称热电解)。工艺类似霍尔-埃鲁法从氧化铝还原铝标准法：氧化铝溶于800°C熔融冰晶石(氟化钠铝)浴中，在石墨阳极(上方)和熔融铝阴极(下方)间电解。类似工艺在极高温度下还原铁矿石，预期相比低温电解路线潜在降低能耗。概念验证已演示，但可接受效率的技术可行性仍难捉摸。挑战包括熔融电解质腐蚀性、缺乏合适阳极材料、极高温度电解过程机理理解有限。虽熔融氧化物电解炼钢相较经典提取冶金具潜在经济环境优势，但其可行性远未令人信服地证明为即时零碳替代方案。

一项研究比较四种炼钢路线能耗和二氧化碳排放：BF-BOF参考案例、带碳捕集BF-BOF(BF-CCS)、氢-DRI和电析出工艺。电析出路线能耗比参考BF-BOF低50%，氢-DRI和BF-CCS分别低28%和13%。重要的是，分析结论：BF-CCS路线无法实现50%以上二氧化碳减排，而氢还原和电析出路线最终可导致钢铁业完全脱碳。氢-DRI和电析出市场进入预期分别在2035年和2040年。

氢基直接还原路线

还原赤铁矿化学计量氢耗54公斤/吨铁。100万吨/年钢铁厂需制氢厂能力达70,000立方米/小时(STP)。大规模制氢目前通过甲烷蒸汽重整。此方案可保留优化用于氢基炼铁，如目标氢纯度97%-98%而非常规99.9%以上。但基于化石资源，除非增设碳捕集单元，否则二氧化碳缓解性能总体一般。更优方案是水电解制氢，前提是所需电力无化石。规模可通过增加电解槽实现。质子交换膜、高压或高温电解等新改进技术也已识别。

氢基还原中，铁矿石通过气-固反应还原，类似DRI路线，唯一区别还原剂为纯氢而非一氧化碳、合成气或焦炭。HYBRIT即"氢突破炼铁技术"，为SSAB、LKAB、Vattenfall三瑞典公司合资。旨在用氢还原完全消除炼钢碳。HYBRIT工艺属更接近商业部署技术概念范畴。

HYBRIT工艺基于可再生电力电解制氢作还原剂。环境角度最大优势：工艺排气为水而非二氧化碳，大幅减少温室气体排放。同常规DRI炼钢一样，氢基DRI路线生铁可用商业化电弧炉技术进一步炼钢。若电力和氢用光伏/风/水电解、光化学制氢或太阳能热解水等可再生能源生产，制氢和电弧炉炼钢步骤可实现零碳。

HYBRIT工艺用氢替代煤进行铁直接还原(DR)，结合电弧炉。工艺近乎完全无化石，大幅减少温室气体排放。属多个采用氢-DR/电弧炉设置倡议之一，结合氢直接还原铁矿石与电弧炉进一步炼钢。氢-DR产品为DRI或海绵铁，入电弧炉与适量废钢混合，进一步炼钢。典型氢直接还原工艺流程图见图2。

虽此特定工艺组合未商业规模实施，但个别组件已广泛用于全球钢铁业。电弧炉钢约占全球年产量30%。直接还原工艺也广泛采用，约占全球总铁产量7%，通常与电弧炉集成。纯氢商业上曾用作直接还原还原剂，但现有DRI产能依赖天然气蒸汽重整获取还原剂(CO和氢混合物)。最近开发零重整(ZR)工艺大幅降低天然气消耗。

因天然气成本是此设置经济可行性关键因素，大多数DRI生产位于低成本天然气丰富地区。尽管氢-DR/电弧炉设置多个组件已在工业环境测试部署，关键挑战仍存：工艺集成、产品质量、氢基础设施规模化(生产和储存)、氢-DR/电弧炉钢铁厂融入可再生电力能源系统。主要挑战之一：如何将碳引入铁以制成钢。

路线二：保持现有工艺

碳捕集封存(CCS)

CCS一直是温室气体排放控制研究重要课题。1990年代随技术深入分析兴趣增长。2000年代初作为全球化石燃料持续使用不增加大气温室气体水平潜在技术进入气候政策讨论。碳捕集技术本身相对成熟，20世纪中叶在食品化工业商业化。储存也在天然气储层成功尝试。早期为气候缓解目的CCS研究，重点主要在发电部门应用，特别是燃煤发电。但尽管长列表试点项目，商业CCS未实现。部分因成本超支、公众反对地下二氧化碳储存、可再生能源和天然气等污染较小发电方式成本下降。

虽对CCS电力部门角色期望降低，但天然气发电碳捕集近期发展，即所谓Allam循环，显示前景。仍视为不大幅改变现有工艺减少重工业包括钢铁业温室气体排放关键选项。工业CCS实施条件有区别特征。优势：工业二氧化碳流相对纯净(比发电)，可使分离捕集阶段简化。公众反对预期较轻，因水泥等行业鲜有可再生替代方案。

但钢铁业也有特征使CCS应用困难。首先，钢铁业全球竞争(不同于发电业)，更易受成本增加影响，更难将成本增加转嫁客户。另一劣势：工业现场有多个浓度和体积不同的二氧化碳源。大多数CCS评估仅关注主要二氧化碳源，而捕集工厂所有二氧化碳可能更难且需大规模重建。据多评估，工业现场捕集储存50%-60%二氧化碳排放成本约70-80美元/吨二氧化碳。但捕集更高份额排放成本结构更不确定。值得注意的是，捕集90%以上排放无可靠成本估算。

"超低二氧化碳炼钢"(ULCOS)项目识别出多项支持钢铁业实施CCS技术。其中顶煤气回收高炉(TGR-BF)工艺在试点厂成功测试，有24%二氧化碳减排潜力。但实际二氧化碳捕集储存非此试点设置部分。

简言之，CCS在工业比发电似更有前景，但固有问题仍存。首先，CCS潜在温室气体减排限于约50%，因小型分散排放源、安装空间不足等问题。其次，储存相关问题(监管、储层长期完整性)仍未解决。第三，CCS极少协同效益，协同效益被识别为加速转型关键促进因素，此因素可能阻碍广泛采用。若碳捕集结合某种二氧化碳利用(CCU)，机会或更大，但仍需大量工艺开发。即使二氧化碳作为原料用于特种化学品或燃料，最终仍进入大气。

生物质的作用

炼铁炼钢历史大部分时期，生物质是关键资源。木炭既作还原剂释放铁矿石氧成分，也作达到高温所需能源。约1875年煤制焦炭接管，但木炭持续用至20世纪中叶。巴西小钢厂仍用速生桉木炭作主要还原剂，但大型钢厂因木炭抗压强度低于焦炭、所需大量及质量维护重大挑战，全面从焦炭转向生物焦炭极不可能。

但生物质仍可在钢铁业脱碳中发挥重要角色，建议多种选项。增量端：高炉冶金焦生产中掺混5%-10%木炭与焦煤。另选项：铁矿石加工用生物质作工艺燃料或生产复合生物碳-铁矿球团用于直接还原工艺。也有试验用气化生物质于直接还原工艺。此法可行但需进一步试验研究。瑞典Höganäs AB用煤基直接还原生产铁粉，启动木材气化工艺现实试验，生产生物焦炭作还原剂及合成气作工艺能源(可能也用于还原)。

生物甲烷将成次级冶金加热重要低碳选项，若焦炉煤气不可用。综合钢厂焦炉煤气用于次级冶金加热。氢-DR概念下此能源须替换。长期存在电加热不同选项，但生物甲烷可直接替代现用天然气和焦炉煤气，工艺最小变更。

但生物质系统性挑战巨大。生物质资源不像煤集中特定地点(如矿山)，导致高采购成本(地理分散生物质须收集、加工、运输至钢厂)。其次，木材需求增长可导致与现有用户(林业)及其他利用生物质实现减排雄心部门竞争，推高价格，除非转向需求较低的林业残余物。最后，为确保温室气体减排，生物质必须来自可持续管理森林。

总结：生物质在可再生及CCS路线均可发挥重要作用。两者均需大量热能于铁矿石加工、次级冶金和热轧工艺，生物甲烷燃烧可很好提供。CCS路线中，木炭可至少部分替代焦炭，前提维持高炉炉料力学稳定性。HYBRIT概念中，生物质也预见作铁钢工艺碳源，潜在用于下游金属加工工艺。